高效半量子密钥分配协议及其安全性研究

Generally, the efficiency of semi-quantum key distribution (SQKD) is lower than that of full quantum key distribution and there is no corresponding strictly and generally accepted unconditional security proof and standard. According to the urgent demands on high efficiency and high security, a set of high efficient SQKD protocols will be researched and constructed, further the unconditional security standards for SQKD protocols will also be proposed. The effective approaches to improving the efficiency of SQKD protocols in different cases, such as measure-resend or randomization-based, utilizing entanglement states or single photons, involving one classical participant or multiple classical participants, will be studied profoundly. And some typical SQKD protocols with a key rate not lower than that of the corresponding full quantum key distribution protocols will be constructed. The unconditional security criteria for different SQKD protocols will be investigated and proven strictly. Moreover, a higher unconditional security criterion suitable for SQKD protocols and generally accepted in the field of quantum key distribution will be researched, and some typical SQKD protocols will be proven to meet the unconditional security standard under actual implementation and joint attacks from attackers. In addition, quantum signature protocols and quantum secure direct communication protocols under the semi-quantum mode will be explored. This project will enrich the research achievements in the field of semi-quantum key distribution and provide a security criterion for semi-quantum key distribution protocols, thus it is of important significance.

现有半量子密钥分配(SQKD)协议的效率一般低于对应的完全量子密钥分配协议且缺乏针对SQKD的严格无条件安全性证明和标准。针对高效率和高安全性两方面的迫切需求，本项目拟探索并构造高效的半量子密钥分配协议和制定SQKD协议的无条件安全性标准。本项目主要研究基于测量重发或随机化、基于纠缠态或单光子、具有一个经典方或多个经典方等情况下提高SQKD协议效率的有效方法，并构造一批密钥率不低于相应的完全量子密钥分配协议的半量子密钥分配新协议。本项目拟研究并论证SQKD协议的无条件安全性标准，探寻适合SQKD协议且量子密钥分配领域普遍接受的严格无条件安全性标准，并证明在实际执行中和攻击者使用联合攻击的情况下典型SQKD协议能够满足严格无条件安全性。本项目还将研究半量子模式的量子签名和量子安全直接通信等协议。本项目将丰富SQKD的研究成果并为SQKD协议提供安全性判据，因而具有重要的研究意义。

目前缺乏针对半量子密钥分配的严格无条件安全性证明和标准，半量子密钥分配协议的效率通常低于对应的完全量子密钥分配协议且半量子密码技术应用场景有限。针对上述问题，本项目研究了半量子密钥分配的无条件安全性的论证方法、高效半量子密钥分配协议的构造和半量子密码思想在相关领域中的创造性应用。本项目研究了影响量子系统的因素，包括无质量标量场对量子系统的影响，无质量标量场作用下的纠缠关系，影响加速原子与具有完全反射边界的波动无质量标量场的量子关联行为，电磁场中两个加速原子的熵不确定关系和原子与具有完美反射边界的波动电磁场耦合的量子关联行为。本项目研究并发现Liu和Hwang的半量子密钥分配协议存在安全漏洞，分析验证了恶意第三方通过实施测量攻击、篡改攻击和集体攻击可以在不被合法参与者发现的情况下获得密钥。本项目分别基于四粒子簇态，GHZ态，类GHZ态等量子态研究并构造了一系列安全高效的半量子密钥分配协议。基于四粒子簇态的半量子密钥分配协议可以实现一个量子方同时向两个经典方分发密钥，可以扩展为多方参与的半量子密钥分配协议。基于GHZ态的两个半量子密钥分配协议可以在一个量子中心的帮助下，实现经典用户无条件安全的量子密钥分配。基于类GHZ态的两个半量子密钥分配协议可以在两个无量子信道连接的经典用户之间实现三方量子密钥分配。将半量子思想引入到相关量子通信协议中，设计了半量子身份认证、半量子消息认证、半量子签名、半量子密钥协商、半量子安全直接通信和半量子秘密比较等协议。基于高维单粒子态、Bell态、类GHZ态、W态或非对称纠缠态等量子态还设计了一系列安全高效的量子通信协议。. 项目组按计划完成了研究任务。依托该项目，共发表SCI收录论文24篇；1人参加1场国际学术会议并做分组报告1次；培养博士生、硕士生20人，其中毕业博士生1人，毕业硕士生9人，在读博士生3人，在读硕士生7人；培养青年教师2人。本项目为半量子密钥分配协议提供了安全性判据，提高了半量子密钥分配协议的效率，丰富了半量子密码思想的应用范围。